基于CAN网采用滑动窗口技术传输故障录波方案实现(修订稿2).doc

基于CAN网采用滑动窗口技术传输电网故障信息的方案实现唐喜1 孟岩1(北京四方继保护自动化股份有限公司研发中心 北京 100085)摘要：针对CAN(Controller Area Network)网传输智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device，以下简称IED)信息速度慢的现状，提出基于CAN网结构采用滑动窗口技术实现IED内部各通信插件之间信息交换的方法，将以太网TCP/IP协议中的“一问多答”、“断点续传”等先进技术应用到CAN网，可使IED大量的描述信息准确、快速交换，尤其是IED长时间故障录波后，可快速上传到分析终端进行故障诊断，缓解IED嵌入式系统的缓冲压力，提高IED长时间故障录波次数，满足国内外市场对IED 连续故障录波能力的高要求。对比试验发现，与传统的“停止-等待协议”相比，“滑动窗口协议”传输电网故障信息更加高效，同时“滑动窗口协议”配置灵活，通过设变窗口尺寸，即可兼容“停止-等待协议”。此技术也可用于IED其它信息要求快速交换的场合。关键词：IED； 滑动窗口； 停止-等待协议； 嵌入式系统0 引言 电力行业正在飞速发展，电力系统不断壮大，快速、准确定位电网故障显得尤为重要，从而用户对IED故障录波1能力要求也不断提高，迫使各大IED生产厂家不断推出新的硬件、软件平台，随着近几年电子工业的发展，硬件不断网络化，软件网络化也有了新的进展，但出于对IED实时性的特殊要求，保护软件直接借用TCP/IP协议2显然不能满足快速性要求，为此需要采用简单、可靠协议，通常各IED生产厂家对IED内部各插件之间的通信协议均是自己制订，没有统一的标准，在对故障录波能力要求不高的情况下，都可以满足要求。但随着国内外市场对IED故障录波能力要求的不断提高，传统的软件协议已不能满足要求。故障录波存储容量、传输速度、打印速度等已成为衡量IED能力的一个重要指标。以往电网出现大扰动时，故障复杂，再加上连续故障，大多数IED的故障录波并不理想，有的因为故障录波超过存储容量，更多的还是因为IED嵌入式系统3缓冲受限，故障录波后不能及时存储、上传至远方，造成录波数据丢失，即使不丢失，想及时查看故障波形也需要等待好长时间，原因就在于大多数IED对于录波处理采用传统的“停止-等待协议”4，不能满足录波容量大、快速传输的要求，成为IED录波处理能力的瓶颈。本文提出的滑动窗口技术可以打破此瓶颈，提高IED录波处理能力的性能指标，并给出基于CAN网的实现方案及对比试验。1 原理CAN5属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： l 低成本 l 极高的总线利用率 l 很远的数据传输距离(长达10Km) l 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） l 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 l 可靠的错误处理和检错机制6 l 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 l 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 l 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 CAN网上对于一些简单应用，可以采用“停止-等待协议”，即传统意义上的“一问一答式协议”，(主要流程如图1所示)。但对于数据量大、实时性要求高的场合，“停止-等待协议”不能满足要求，本文提出“滑动窗口协议”，对比二者原理上的优缺点后，即可以发现“滑动窗口协议”的优势。1.1 停止-等待协议停止-等待(stop-and-wait)的思想：发送方传输一帧之后，在传输下一帧之前等待一个确认。如果在某段时间之后确认没有到达，则发送方超时，重发原始帧。介绍两个专有名词：确认（acknowledgement）和超时（timeout）确认4（简称ACK）：协议发给它的对等实体的一个小的控制帧，告知它已收到刚才的帧。控制帧是一个无任何数据的头部，但是一个协议也可以将一个ACK捎带在一个恰好要发向对方的数据帧上。发送方收到一个确认，表明帧发送成功。如果发送方在合理的一段时间后未收到确认，那么它重发（retransmit）原始帧。等待一段合理的时间的这个动作称为超时4（timeout）使用确认和超时实现可靠传输的策略有时称为自动请求重发（Automatic Repeat Request，ARQ）。图 1停止-等待协议正常情况下的流程图Fig. 1 Stop-wait protocol flow chart under normal conditions上述可以发现停止-等待算法的主要缺点：允许发送方每次在链路上只有一个未确认的帧，这可能远远低于链路的容量。1.2 滑动窗口协议滑动窗口2(slide window)技术主要用于信息流量控制,协调改善发送端和接收端的工作速度, 广泛使用于Internet和其它网络之间的通信,一个好的实现既可以提高网络通信的数据流量，同时又能提高通信质量和解决拥塞控制问题。简要描述一下该算法:1、将需要传递的信息编码为一个有序的帧序列；2、发送方设置一个滑动窗口（缓冲区），该窗口大小为最大发送帧数（N）。该缓冲区采用先进先出队列机制，首先发送N帧信息，每帧都有一个定时器，当超时还没有收到接收方的应答帧时，则重发该帧；3、接收方设置一接收队列，对接收到的每帧入队列。如果该帧是编号最小的帧，则发送该帧收到的应答帧给发送方；4、发送方如果收到接收方的某帧的应答消息，则判断，如果是队列的第一个帧，则该帧出列。队列空出一位，再发送一帧，否则记录其为可出列标记。利用滑动窗口算法原理，可以保证数据在有序发送的情况下，顺利达到接收方。 (1)窗口机制 滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。下面举一个例子（假设发送窗口尺寸为2帧，接收窗口尺寸为1帧）。初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，等待接收0号帧。发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态不变。发送方打开0、1号窗口，表示0、1号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变。接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不变。发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变。发送方继续发送2号帧，2号窗口打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变。接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变。发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。 若从滑动窗口的观点来统一看待1比特滑动窗口、后退n及选择重传三种协议，它们的差别仅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。1比特滑动窗口协议：发送窗口=1帧，接收窗口=1帧；后退n协议：发窗口1帧，接收窗口1帧；选择重传协议：发送窗口1帧,接收窗口1帧。(2) 1比特滑动窗口协议13 当发送窗口和接收窗口的大小固定为1时，滑动窗口协议退化为停等协议（stopandwait）。该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来，等待接收方已正确接收的确认（acknowledgement）返回后才能继续发送下一帧。由于接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧，因此发送方要为每一个帧加一个序号。由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧，因而只用一比特来编号就够了。(3) 后退n协议 由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n协议。后退n协议中，发送方在发完一个数据帧后，不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内未收到确认帧，就要重发相应的数据帧。如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。从这里不难看出，后退n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错），这种做法又使传送效率降低。由此可见，若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续测协议不一定优于停止-等待协议。此协议中的发送窗口的大小为k帧，接收窗口仍是1帧。(4) 选择重传协议14 在后退n协议中，接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧，即使是正确到达的帧，这显然是一种浪费。另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种方法称为选择重发(SELECTICE REPEAT)。显然，选择重发减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间。利用滑动窗口算法原理，可以保证一堆数据在有序发送的情况下，顺利的达到接收方。滑动窗口技术具备以下优缺点：优点：a)滑动窗口有利于提高带宽利用率，传输效率高b)滑动窗口使主机在等待确认消息的同时，可以发送多个字节或数据包c)滑动窗口的大小以字节数表示d)滑动窗口的大小在连接建立阶段指定e)滑动窗口的大小随数据的发送而变化f)滑动窗口可以提供流量控制缺点：控制复杂。2 应用实现系统平台架构如图2所示，系统主要由两大部分组成，一部分是电网故障信息采集及处理单元，由保护插件负责；另一个部分为电网故障信息管理单元，由信息管理插件负责。系统采用双CAN网7结构，一个CAN网用于与信息管理插件实时通信8，另一个CAN网用于与开入、开出插件实时通信，总线不出芯片2，有利于保护装置的高可靠性。大容量的故障录波，可以保存不少于24次事故录波。完整的事件记录和动作报告，可保存不少于2000条动作报告和2000次操作记录，停电不丢失。图 2 系统通信平台9架构Fig. 2 Structure of system communication软件主要结构体实现：滑动窗口数据传输结构体：typedef struct _SLIDEWIN_TRANSMIT/以下为主控方信息bool bIsUsedFlag;/是否使用滑动窗口技术传输WORD wStBarNo;/起始条序号BYTE BStSubBarNo;/起始子条序号WORD wWinSize;/窗口尺寸WORD wMaxFrmLen;/最大帧长度/以下是被控方信息WORD wRealWinSize;/由被控方实际上送的窗口尺寸int nRealBarNum;/由被控方实际上送的实际报文数bool bIsStartTimeOut;/是否启动超时定时器的处理StruSlideWinTransmit;IED通信平台15：所有CAN总线部分均采用滑动窗口协议传输，其通信流程如图3所示：图 3 IED内部滑动数据窗传输流程Fig. 3 Flow chart of slide window communication in the IED3 对比试验通过以上的算法论述及应用实现，决定通过网络对比试验10来验证采用“滑动窗口协议”的优势。 试验方法：通过改变滑动窗口尺寸测试录波数据传输时间(单位:秒)，采用多次试验取平均值的算法。试验条件：l 数据包大小：90Kl CAN网速率：1M试验内容：通过测试仪模拟 “距离I、II、III段保护出口”11动作实验，使IED产生一次故障录波数据，通过定时器记录故障录波传输时间，针对同一次故障录波，改变窗口尺寸，重复多次试验,取平均值，如表1所示。试验次数窗口尺寸(帧)12345平均值(秒)1252626262525.62202121212120.83181819191818.44151516161515.45131413131413.46101099109.67545454.6表 1录波数据传输速度对比试验Table 1 Contrast test of record data transmission改变窗口尺寸，故障录波传输时间变化曲线图如图4所示。图 4 滑动窗口尺寸与录波传输时间关系图Fig. 4 Relation between slide window size and record transmission time由图4可以发现，随着窗口尺寸的不断加大，故障录波传输时间不断缩小。当窗口尺寸为1帧时，“滑动窗口协议”即退化为“停止-等待协议”。由此说明，“滑动窗口协议”的优势相当明显，录波传输速度有数倍的提升。4 结语1) 滑动窗口技术在CAN网上的应用，解决了IED各插件之间大数据量通信的核心问题，充分发挥硬件资源优势，传输效率高，通过对比试验发现，此技术应用在电网故障录波信息传输时，优势更加明显，突破了嵌入式系统资源不平衡带来的通信瓶颈，为电网故障诊断带来极大便利，同时此技术也可用于其它大数据包通信的场合；2) 滑动窗口技术实现复杂，针对IED内部实现部分，目前还未有统一的协议标准，仅个别IED厂家使用此技术，待试运行一段时间后，可大面积推广。3) 通过对滑动窗口算法原理的分析，可以将该算法应用在如下场景：A系统需要给B系统发送大量的资料，这些资料需要拆分为M次才能发送完成，考虑到网络流量问题，不能一次性的就全部把M个数据块发送给B系统。较好的处理方式是设置符合网络流量大小的值N，作为A系统一次发送的数据块个数。N作为滑动窗口的长度。采用滑动窗口算法来完成A、B系统的数据发送，考虑到发送的数据可以是无序（既数据没有先后之分）的情况。需要对该算法略加修改，即发送队列中的任何一个数据块如果收到应答信息，队列都向前滑动一格，并允许立即发送一个新的数据块。就可以很好的解决这个问题。参考文献：1 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Automation of Electric Power Systems , 2001,25(17):36-38作者简介：唐喜(1979 - )，男，吉林松原人，工程师，主要从事电力系统通信、电力系统规约和电力系统软件组件方面的研究与开发工作；(E-mail:)孟岩(1979 - )，女，辽宁锦州人，工程师，主要从事继电保护研究与开发工作。(E-mail:)Scheme realization of “Slide window protocol” applied to transmit fault records based on CAN networkTANG Xi1, MENG Yan1(Beijing Sifang Automation Co.,Ltd research & develop center, 100085,China )Abstract: Aiming at the CAN( Controller Area Network) network transmitting the slow present